WO2013083920A1 - Compositions de matériaux photocommutables - Google Patents

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WO2013083920A1
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photochromic
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matrix
complex
ruthenium
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Benoit Cormary
Isabelle Malfant
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Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs
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Definitions

  • the invention relates to novel compositions of photochromic nitrosyl ligand ruthenium complexes and matrices.
  • an alkoxysilane is selected as precursor and a nitrosyl ligand ruthenium complex as a photochromic complex
  • the successive steps of hydrolysis, of disposition in a container of chosen form, of condensation (or polymerization or gelation), of maturation and of aging are carried out, this last stage including a final drying, so that for the stages maturation and aging, the pH, the temperature and the duration are selected so that, in the realized xerogel, whose shape is determined by that of the container, the photochrome ruthenium complex with nitrosyl ligand, in the crystalline state and in the form of nanoparticles, or inserted in the nanopores of the silica matrix distributed at least substantially homogeneously.
  • the photochromic complex is selected from the group comprising [RuCl (NO) (py) 4] [PF 6 ] 2 1 ⁇ 2H 2 O and [RuY (NO) (py) 4 ] X 2 in wherein Y is Cl, Br, OH and X is selected from the family consisting of Br, Cl, PF 6 , BF 4 .
  • the problem underlying the present invention is to envisage other compositions.
  • the invention relates to a sol-gel process for producing a photochromic composite material, in which, starting from a precursor and a photochromic complex of ruthenium to nitrosyl ligand, one carries out the successive stages of hydrolysis, disposal in a container, condensation, aging and aging including a final drying where one selects the pH, the temperature and the duration so that in the xerogel realized, according to the shape of the container, the photochromic complex of ruthenium with ligand nitrosyl, in the crystalline state and in the form of nanoparticles, is inserted into the nanopores of the matrix.
  • a matrix of silica is selected as the matrix
  • ⁇ is selected as photochromic complex ligand to ruthenium nitrosyl a complex of formula:
  • py is pyridine and Ru is ruthenium
  • X is chosen from the family comprising Cl, Br, OH,
  • Y is selected from the family comprising Cl, Br, BF 4 , PF 6 ,
  • R, R ', R " is chosen from the family comprising hydrogen, alkyl groups, alcohol groups, aldehyde groups, ketone groups, ester groups, ether groups, amino groups, amide groups and halogenated groups,
  • the equatorial ligands are of the vinylpyridine, pyridine carboxaldehyde, picoline and phenyl pyridine type, this list being illustrative and in no way limiting.
  • the precursor is selected from the group consisting of tetramethoxyorthosilane - TMOS -, vinyltriethoxysilane - VTES -, tetraethoxyorthosilane - TEOS -, or M (OR) x alkoxides, where M is a metal and R is a group alkyl.
  • a total hydrolysis of the alkoxide is carried out, the set of OR groups being replaced by OH groups.
  • the alkoxide is mixed with methanol and the mixture is stirred.
  • the curing step lasts, in the presence of acetonitrile, of the order of one week at a temperature of about 55 ° C in a closed atmosphere, or in the presence of water, the 72 hours at room temperature.
  • the aging step lasts about one week at a temperature of the order of 55 ° C.
  • the invention relates to a process for producing a photochromic composite material, in which, from a biodegradable matrix and a photochromic complex of ruthenium with a nitrosyl ligand, one performs the steps of dissolution of the biodegradable matrix, dispersion of the photochromic complex, provision in a container, drying where the temperature and duration are selected, so that in the matrix produced, according to the shape of the container, the complex photochrome of ruthenium to nitrosyl ligand, in the crystalline state and in the form of nanoparticles, or inserted into the nanopores of the matrix, in which, in combination:
  • ⁇ is selected as a template, a biodegradable matrix, in particular starch or agar-agar, and
  • a complex of formula [Ru (NO) X (py-R) 4 ] Y 2 , [Ru (NO) X (py-RR ') 4 ] Y 2 is selected as a nitrosyl ligand ruthenium photochromic complex; [Ru (NO) X (py-RR'R ") 4 ] Y 2 or [Ru (NO) X (py) 4 ] Y 2 where:
  • py is pyridine and Ru is ruthenium
  • X is chosen from the family comprising Cl, Br, OH,
  • Y is selected from the family comprising Cl, Br, BF 4 ,
  • R, R ', R " is chosen from the family comprising hydrogen, alkyl groups, alcohol groups, aldehyde groups, ketone groups, ester groups, ether groups, amine groups, amide groups and According to either of these embodiments, the equatorial ligands are, for example, of the vinylpyridine, pyridine carboxaldehyde, picoline or phenylpyridine type, this list being illustrative and in no way limiting.
  • the operating steps are carried out at a gentle temperature and pressure, close to ambient temperature.
  • the material is in the form of a monolith or in the form of a plate of desired thickness
  • the average size of the nanopores of the silica matrix is between 2 and 15 nm;
  • the average size of the nanocrystals in the biodegradable matrix is of the order of 50 nm
  • photochromic composite materials are of both shape and size controllable, resistant, sufficiently thick when desired for large storage capacity, and transparent.
  • the shaping of this material by the two embodiments envisaged for the process does not adversely affect the switching properties existing on the monocrystal of the ruthenium complex, namely a conversion rate of the order of 100%.
  • the invention relates to a high capacity optical memory medium comprising at least one photochromic composite material as just described.
  • a medium offers optical storage qualities, including capacity, much higher than what was proposed so far.
  • a process for producing a photochromic composite material which can be envisaged according to two embodiments, one with a sol-gel process and the other with a biodegradable matrix
  • Such a photochromic composite material characterized in that it is obtained by this method, and an optical memory medium of high quality, in particular capacitance, comprising at least one such photochromic composite material.
  • sol-gel process the material and the optical memory medium thus produced are derived from those described in the aforementioned document WO 2010/081977, to which reference is expressly made. Moreover, the principles of the method (or the reaction) known under the name of "sol-gel” are known or readily available to those skilled in the art from this document and also from the document D. Levy, " Photochromic Sol-Gel Materials ", Chem. Mat., 9, 1997, 2666-2670.
  • the sol-gel method comprises the following successive steps:
  • a matrix of silica whose relevance of choice was highlighted in the document WO 2010/081977, is selected as matrix.
  • the nitrosyl ligand ruthenium photochromic complex is selected from a complex of formula:
  • py is pyridine and Ru is ruthenium
  • X is chosen from the family comprising Cl, Br, OH,
  • R, R ', R " is chosen from the family comprising hydrogen, alkyl groups, alcohol groups, aldehyde groups, ketone groups, ester groups, ether groups, amino groups, amide groups and halogenated groups,
  • the aldehyde groups include for example -COH or alkyl chains having 1 to 4 carbon atoms substituted with one or more -COH groups.
  • Ester groups include, for example -COR-1, where R 1 is alkyl having 1 to 4 carbon atoms.
  • the amino groups include for example -NH 2 , -NHR- ⁇ or -NR-
  • Amide groups include, for example -CONH 2 , -CONHR- ⁇ or -CONR-
  • Pyridine py, pyridine monosubstituted py-R, pyridine bisubstituted py-RR 'and tri-substituted pyridine py-RR'R can be illustrated by the following schematic structures:
  • an alkoxysilane such as tetramethoxyorthosilane - TMOS - is used as precursor.
  • the sol-gel process is carried out starting from the precursor, the photochromic complex and the selected matrix, by means of successive stages of hydrolysis, of disposal in a container of chosen form, of condensation (or polymerization or gelation), of ripening and aging, this last step including final drying.
  • the pH, the temperature and the duration are selected so that in the realized xerogel, the shape of which is determined by that of the container, the photochrome ruthenium complex with nitrosyl ligand, at the crystalline state and in the form of nanoparticles, is inserted into the nanopores of the silica matrix, being distributed at least substantially homogeneously.
  • the operating steps are carried out at a gentle temperature and pressure, close to ambient temperature.
  • the alkoxide is mixed with methanol and this mixture is stirred for the necessary time, for example of the order of five minutes.
  • Hydrolysis is started by addition of distilled water.
  • the precursor is added the selected photochromic complex, itself in solution.
  • the proportions are 1 ml of tetramethoxyorthosilane (TMOS) and 1.2 ml of methanol and the double, or 2.4 ml of distilled water.
  • TMOS tetramethoxyorthosilane
  • the photochromic complex as selected is used in water or in an acetonitrile solution, for example in the case of [RuCl (NO) (py) 4 ] (PF 6 ) 2 ⁇ 2H 2 0, this complex not being soluble in water.
  • the precursor is selected as selected and the photochromic complex as selected, and in solution, in a container of selected shape, which determines the shape of the xerogel to be made, monolith or plate.
  • a container such as a hemolysis tube may be used to form a monolith and a container such as a flat bottomed box to form a plate of desired thickness.
  • the condensation step leads to the formation of bridging oxygen with the removal of water or alcohol molecule.
  • the bridging oxygen atoms allow the formation of a three-dimensional silica lattice which is obtained according to the following reaction:
  • the condensation step leads to the production of a gel.
  • the gel is stabilized: the polymerization begun previously continues, while the solvent inside the gel is removed.
  • the pH, the temperature and the duration are selected so that in the xerogel finally produced, the shape of which is determined by the container, the photochromic complex, in the crystalline state and in the form of nanoparticles, is inserted into the nanopores of the silica matrix, distributed at least substantially homogeneously.
  • the selected pH is of the order of 5 to 5.6.
  • the maturation step may last of the order of one week at a temperature of the order of 55 ° C, in a closed atmosphere. In an embodiment with an aqueous solution, the maturation stage may last for about 72 hours at room temperature.
  • the aging step may last on the order of one week at a temperature of the order of 55 ° C. The end of the aging step allows drying by which the remainder of the solvent is removed.
  • Drying by slow evaporation causes contraction of the matrix lattice which can reduce the gel volume (eg a 1/5 volume loss) and lead to the formation of a xerogel, in the form of a monolith or plate.
  • the wet gel contracts very little and no xerogel is obtained as desired, but an airgel.
  • the pH, the temperature and the duration are selected so that in the realized xerogel, the shape of which is determined by the container , the photochromic complex is in the crystalline state and in the form of nanoparticles and inserted into the nanopores of the matrix, themselves distributed at least substantially homogeneously.
  • photochromic composite materials which are homogeneous, transparent, easily moldable, stable at normal temperature and pressure conditions.
  • xerogels do not show deterioration after four months and even up to seven months.
  • These materials have excellent resistance to laser radiation, mechanical strength similar to glass, good resistance to solvents.
  • photochromic composite materials in the form of a monolith of 1 to 2 cm in length or in the form of a plate of 1 to 3 cm 2 and of desired thickness can be produced.
  • the average size of the nanopores of the matrix produced without acid or basic catalysis is between 2 and 15 nm. Their distribution is homogeneous.
  • the photochromic complexes are in the form of nanocrystals.
  • the particles between 2 and 4nm are the most numerous. Given the size and intermolecular distances involved, it is proven that the smallest nanopores in the matrix contain one or two ruthenium molecules with their counter-ions.
  • the analyzes performed on the composite materials obtained during the tests showed that the particles are well diluted in the matrix and that the objects of nanometric size found in the nanopores are indeed constituted by the photochromic complex.
  • a sample of this material is placed in a cryostat and then irradiated for 2 hours at a temperature of about 100 K. The sample is taken out of the cryostat as quickly as possible. There is a change of color of the sample which changes from the color orange - color to the ground state - to the color green - color in the irradiated state.
  • the photochromic composite materials made have the characteristic of a complete reversible change of their color after irradiation.
  • An estimate of the photoinduced population - of the order of 36% - shows that it is close to that observed on single crystals.
  • These photochromic composite materials can be used at temperatures close to ambient temperature. As for metastable states, their lifespan is greater than 9 years.
  • photochromic composite materials are therefore perfectly suited to the constitution of high quality optical memory media, particularly as regards the capacity.
  • a biodegradable matrix is used, and therefore selected, in particular a polysaccharide such as starch (glucan) or agar-agar (galactan).
  • a polysaccharide such as starch (glucan) or agar-agar (galactan).
  • a complex of formula [Ru (NO) X (py-R) 4 ] Y 2 , [Ru (NO) X (py-RR ') is also selected as a nitrosyl ligand ruthenium photochromic complex. 4 ] Y 2 , [Ru (NO) X (py-RR'R ") 4 ] Y 2 or [Ru (NO) X (py) 4 ] Y 2 where:
  • py is pyridine and Ru is ruthenium
  • X is chosen from the family comprising Cl, Br, OH,
  • Y is selected from the family comprising Cl, Br, BF 4
  • R, R ', R " is chosen from the family comprising hydrogen, alkyl groups, alcohol groups, aldehyde groups, ketone groups, ester groups, ether groups, amino groups, amide groups and the halogenated groups,
  • the equatorial ligands are of the vinylpyridine, pyridine carboxaldehyde, picoline, phenyl pyridine type, this list being illustrative and in no way limiting.
  • py is pyridine and Ru is ruthenium
  • X is chosen from the family comprising Cl, Br, OH,
  • Y is selected from the family comprising Cl, Br, BF 4 ,
  • R, R ', R " is chosen from the family comprising hydrogen, alkyl groups, alcohol groups, aldehyde groups, ketone groups, ester groups, ether groups, amino groups, amide groups and the halogenated groups, then the mixture is placed in the container of selected form.
  • Drying is at room temperature for about ten days.

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Abstract

Procédé de production d'un matériau composite photochrome, dans lequel, à partir d'un complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle, avec une matrice de silice par un procédé sol-gel ou avec une matrice biodégradable, en particulier d'amidon ou d'agar-agar, de sorte que le complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle, à l'état cristallin et sous forme de nanoparticules, soit inséré dans les nanopores de la matrice.

Description

Compositions de matériaux photocommutables.
L'invention est relative à de nouvelles compositions de complexes photochromes de ruthénium à ligand nitrosyle et de matrices.
L'arrière-plan technologique est illustré par le document WO 2006/019435 qui décrit des procédés de fabrication de microparticules photosensibles et des compositions aqueuses les comprenant, le document US 5821287 qui se réfère à la synthèse de composés photochromes et le document EP-A- 0592366 qui porte sur des composés photochromes.
Le document WO 2010/081977, plus récent, considéré comme l'état de la technique le plus proche, concerne un procédé sol-gel de production d'un matériau composite photochrome, un tel matériau composite photochrome ainsi réalisé, et un média à mémoire optique de haute qualité, notamment capacité, comprenant au moins un tel matériau composite photochrome.
La mise en œuvre d'un procédé sol-gel à partir d'un précurseur et d'un complexe photochrome, décrite dans le document WO 2010/081977 est telle que :
- l'on sélectionne comme précurseur un alkoxysilane et comme complexe photochrome un complexe de ruthénium à ligand nitrosyle, et
- l'on réalise les étapes successives d'hydrolyse, de disposition dans un contenant de forme choisie, de condensation (ou polymérisation ou gélification), de maturation et de vieillissement, cette dernière étape incluant un séchage final, de sorte que pour les étapes de maturation et de vieillissement, l'on sélectionne le pH, la température et la durée pour que, dans le xérogel réalisé, dont la forme est déterminée par celle du contenant, le complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle, à l'état cristallin et sous forme de nanoparticules, soit inséré dans les nanopores de la matrice de silice répartis de façon au moins substantiellement homogène.
Selon le document WO 2010/081977, le complexe photochrome est sélectionné dans le groupe comprenant le [RuCI(NO)(py)4][PF6]2 ½H20 et [RuY(NO)(py)4]X2 dans lequel Y est Cl, Br, OH et X est choisi dans la famille comprenant Br, Cl, PF6, BF4.
Partant du document WO 2010/081977, le problème à la base de la présente invention est d'envisager d'autres compositions. A cet effet, et selon un premier aspect et une première réalisation, l'invention vise un procédé sol-gel de production d'un matériau composite photochrome, dans lequel, à partir d'un précurseur et d'un complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle, l'on réalise les étapes successives d'hydrolyse, de disposition dans un contenant, de condensation, de maturation et de vieillissement incluant un séchage final où l'on sélectionne le pH, la température et la durée pour que dans le xérogel réalisé, selon la forme du contenant, le complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle, à l'état cristallin et sous forme de nanoparticules, soit inséré dans les nanopores de la matrice.
Selon l'invention, en combinaison,
■ l'on sélectionne comme matrice, une matrice de silice, et
■ l'on sélectionne comme complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle un complexe de formule :
[Ru(NO)X(py-R)4]Y2, [Ru(NO)X(py-RR')4]Y2, ou [Ru(NO)X(py-RR'R")4]Y2 où :
- py désigne la pyridine et Ru le ruthénium,
- X est choisi dans la famille comprenant Cl, Br, OH,
- Y est choisi dans la famille comprenant Cl, Br, BF4, PF6,
- R, R', R" est choisi dans la famille comprenant l'hydrogène, les groupements alkyle, les groupements alcool, les groupements aldéhyde, les groupements cétone, les groupements ester, les groupements éther, les groupements aminé, les groupements amide et les groupements halogénés,
à l'exclusion de la combinaison d'une matrice de silice et d'un complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle de formule [Ru(NO)X(py)4]Y2 ou [RuCI(NO)(py)4](PF 20.
Par exemple, les ligands équatoriaux sont du type vinylpyridine, pyridine carboxaldéhyde, picoline, phényl pyridine, cette liste étant exemplative et nullement limitative.
Selon une réalisation, l'on sélectionne le précurseur dans le groupe comprenant le tétraméthoxyorthosilane - TMOS -, le vinyltriéthoxysilane - VTES -, le tétraéthoxyorthosilane - TEOS -, ou des alkoxydes M(OR)x, où M est un métal et R un groupement alkyle.
Selon une réalisation, l'on réalise une hydrolyse totale de l'alkoxyde, l'ensemble des groupements OR étant remplacé par des groupements OH.
Selon une réalisation, l'on mélange l'alkoxyde avec du méthanol et on agite le mélange.
Selon une réalisation, après le début de l'étape d'hydrolyse l'on ajoute au précurseur le complexe photochrome sélectionné, lui-même en solution, en particulier dans de l'eau ou, par impossible, dans de l'acétonitrile. Selon une réalisation, pour les étapes de maturation et vieillissement, l'on sélectionne un pH acide (<7).
Selon des réalisations, l'étape de maturation dure, en présence d'acétonitrile, de l'ordre d'une semaine à une température de l'ordre de 55°C en atmosphère fermée, ou en présence d'eau, de l'ordre de 72 heures à température ambiante. Selon une réalisation, l'étape de vieillissement dure de l'ordre d'une semaine à une température de l'ordre de 55°C.
Selon le même premier aspect mais une seconde réalisation, l'invention vise un procédé de production d'un matériau composite photochrome, dans lequel, à partir d'une matrice biodégradable et d'un complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle, l'on réalise les étapes de dissolution de la matrice biodégradable, de dispersion du complexe photochrome, de disposition dans un contenant, de séchage où l'on sélectionne la température et la durée, pour que dans la matrice réalisée, selon la forme du contenant, le complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle, à l'état cristallin et sous forme de nanoparticules, soit inséré dans les nanopores de la matrice, dans lequel, en combinaison :
■ l'on sélectionne comme matrice, une matrice biodégradable, en particulier d'amidon ou d'agar- agar, et
■ l'on sélectionne comme complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle un complexe de formule [Ru(NO)X(py-R)4]Y2, [Ru(NO)X(py-RR')4]Y2, [Ru(NO)X(py-RR'R")4]Y2 ou [Ru(NO)X(py)4]Y2 où :
- py désigne la pyridine et Ru le ruthénium,
- X est choisi dans la famille comprenant Cl, Br, OH,
- Y est choisi dans la famille comprenant Cl, Br, BF4,
R, R', R" est choisi dans la famille comprenant l'hydrogène, les groupements alkyle, les groupements alcool, les groupements aldéhyde, les groupements cétone, les groupements ester, les groupements éther, les groupements aminé, les groupements amide et les groupements halogénés. Selon l'une et l'autre de ces réalisations, les ligands équatoriaux sont par exemple du type vinylpyridine, pyridine carboxaldéhyde, picoline, phényl pyridine, cette liste étant exemplative et nullement limitative.
Selon une réalisation, les étapes opératoires sont réalisées à température et pression douces, voisines de l'ambiante.
Selon une réalisation, l'on met en œuvre un contenant en forme de tube ou de boîte à fond plat, selon que l'on veut réaliser un monolithe ou une plaque. Selon l'une et l'autre de ces réalisations, le procédé est peu coûteux en énergie parce qu'il peut être réalisé à température et pression ambiantes. Il présente le minimum d'effets nocifs sur l'environnement, pour la raison qu'il permet d'éviter l'emploi de solvants nocifs au profit de l'eau.
Selon l'une et l'autre de ces réalisations, le procédé est enfin reproductible et envisageable à l'échelle industrielle. Selon un deuxième aspect, l'invention vise le matériau composite photochrome obtenu par l'une ou l'autre des deux réalisations du procédé de production d'un matériau composite photochrome. Ce matériau composite photochrome est tel, selon la réalisation du procédé considéré, que le xérogel ou le composite biodégradable réalisé est de forme déterminée par celle du contenant et comprend le complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle sélectionné, à l'état cristallin et sous forme de nanoparticules, inséré dans les nanopores de la matrice de silice ou de la matrice biodégradable, en particulier d'amidon ou d'agar-agar, répartis de façon au moins substantiellement homogène.
Selon d'autres caractéristiques :
- le matériau se présente sous la forme d'un monolithe ou sous la forme de plaque d'épaisseur souhaitée ;
- la taille moyenne des nanopores de la matrice de silice est comprise entre 2 et 15 nm ;
- les particules les plus nombreuses des nanocristaux de complexe photochrome sont comprises entre 2 et 4 nm.
- la taille moyenne des nanocristaux dans la matrice biodégradable est de l'ordre de 50 nm ;
Ces matériaux composites photochromes sont, à la fois, de forme et de taille maîtrisables, résistants, suffisamment épais lorsque cela est souhaité pour des capacités de stockage importantes, et transparents.
Enfin, la mise en forme de ce matériau par les deux réalisations envisagées pour le procédé n'affecte pas négativement les propriétés de commutation existant sur le monocristal du complexe de ruthénium, à savoir un taux de conversion de l'ordre de 100%.
Selon un troisième aspect, l'invention vise un média à mémoire optique de haute capacité comprenant au moins un matériau composite photochrome tel qu'il vient d'être décrit. Un tel média offre des qualités de stockage optique, notamment capacité, nettement supérieures à ce qui était proposé jusqu'à présent.
Selon d'autres caractéristiques de ce média à mémoire optique :
- sa population photoinduite est proche de celle de monocristaux du complexe photochrome ;
- sa température de mise en œuvre proche de la température ambiante ;
- il présente un changement réversible complet de couleur après irradiation ;
- ses états métastables ont une durée de vie supérieure à 9 ans.
L'invention sera bien comprise à la lecture de la description qui suivra de plusieurs modes de réalisation. Comme indiqué, l'invention a trois aspects :
- un procédé de production d'un matériau composite photochrome, qui peut être envisagé selon deux réalisations, l'une avec un procédé sol-gel et l'autre avec une matrice biodégradable
- un tel matériau composite photochrome, caractérisé en ce qu'il est obtenu par ce procédé, et - un média à mémoire optique de haute qualité, notamment capacité, comprenant au moins un tel matériau composite photochrome.
On décrit maintenant l'invention plus spécialement dans le cas de la première réalisation du procédé qui est envisagée, à savoir avec un procédé sol-gel et une matrice de silice.
Le procédé sol-gel, le matériau et le média à mémoire optique ainsi réalisés sont dérivés de ceux décrits dans le document WO 2010/081977, déjà cité, auquel il est fait expressément référence. Par ailleurs, les principes de la méthode (ou la réaction) connue sous le nom de « sol-gel » sont connus ou aisément à la portée de l'homme du métier à partir de ce document et également du document D. Levy, « Photochromic Sol-Gel materials », Chem. Mat., 9, 1997, 2666-2670.
La méthode sol-gel comporte les étapes successives suivantes:
- Hydrolyse,
- Condensation ou, autrement désignée, polymérisation ou gélification,
- Séchage.
Dans le procédé sol-gel selon l'invention, l'on sélectionne comme matrice, une matrice de silice, dont la pertinence du choix avait été mise en évidence dans le document WO 2010/081977. En combinaison, l'on sélectionne comme complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle un complexe de formule :
o [Ru(NO)X(py-R)4]Y2, [Ru(NO)X(py-RR')4]Y2, [Ru(NO)X(py-RR'R")4]Y2 ou [Ru(NO)X(py)4]Y2, où :
- py désigne la pyridine et Ru le ruthénium,
- X est choisi dans la famille comprenant Cl, Br, OH,
- Y est choisi dans la famille comprenant Cl, Br, BF4, PF6,
- R, R', R" est choisi dans la famille comprenant l'hydrogène, les groupements alkyle, les groupements alcool, les groupements aldéhyde, les groupements cétone, les groupements ester, les groupements éther, les groupements aminé, les groupements amide et les groupements halogénés,
o ou de formule [RuCI(NO)(py)4](PF6)2.1/2H20.
Les groupements alkyle comprennent par exemple les alkyles ayant 1 à 4 atomes de carbone, linéaires ou ramifiés, tels que le méthyle, l'éthyle, le n-propyle, l'iso-propyle, ou le n-butyle. Les groupements alcool comprennent par exemple -OH ou les chaînes alkyle ayant 1 à 4 atomes de carbones substitués par un ou plusieurs groupes -OH.
Les groupements aldéhyde comprennent par exemple -COH ou les chaînes alkyles ayant 1 à 4 atomes de carbone substitués par un ou plusieurs groupes -COH.
Les groupements ester comprennent par exemple -COR-i , où R-ι est un alkyle ayant 1 à 4 atomes de carbone.
Les groupements éther comprennent par exemple -OR-ι , où R-ι est un alkyle ayant 1 à 4 atomes de carbone.
Les groupements aminé comprennent par exemple -NH2, -NHR-ι ou -NR-|R2 où R-ι et R2 sont indépendamment des alkyles ayant 1 à 4 atomes de carbone.
Les groupements amide comprennent par exemple -CONH2, -CONHR-ι ou -CONR-|R2 où R-ι et R2 sont indépendamment des alkyles ayant 1 à 4 atomes de carbone.
Les groupements halogénés comprennent par exemple le chlore, le brome, l'iode ou le fluor ou les chaînes alkyles ayant 1 à 4 atomes de carbone substitués par un ou plusieurs atomes d'halogène, tels que le chlore, le brome, l'iode ou le fluor.
La pyridine py, la pyridine monosubstituée py-R, la pyridine bisubstituée py-RR' et la pyridine tri substituée py-RR'R" peuvent être illustrées par les structures schématiques suivantes :
Pyridine
Pyridine monosubstituée py-R
Pyridine bi-substituée py-RR'
Pyridine tri-substituée py-RR'R"
Figure imgf000007_0001
Toutefois, il est entendu que la combinaison d'une matrice de silice et d'un complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle de formule [Ru(NO)X(py)4]Y2 ou [RuCI(NO)(py)4](PF6)2 20, X et Y étant comme précédemment définis, connue en soi, est exclue du cadre de l'invention.
Dans une réalisation du procédé sol-gel selon l'invention, l'on met en œuvre, comme précurseur un alkoxysilane tel que le tétraméthoxyorthosilane - TMOS -. Dans d'autres réalisations possibles, l'on met en œuvre le vinyltriéthoxysilane - VTES -, voire le tétraéthoxyorthosilane - TEOS -, ou plus généralement des aikoxydes M(OR)x, où M est un métal, tel que l'aluminium ou le titane, x un nombre entier pouvant aller jusqu'à 4, et R un groupement alkyle (ayant 1 à 4 atomes de carbone), fonctionnellement équivalents.
Le procédé sol-gel est mis en œuvre à partir du précurseur, du complexe photochrome et de la matrice sélectionnés, moyennant des étapes successives d'hydrolyse, de disposition dans un contenant de forme choisie, de condensation (ou polymérisation ou gélification), de maturation et de vieillissement, cette dernière étape incluant un séchage final. Pour les étapes de maturation et de vieillissement, l'on sélectionne le pH, la température et la durée pour que dans le xérogel réalisé, dont la forme est déterminée par celle du contenant, le complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle, à l'état cristallin et sous forme de nanoparticules, est inséré dans les nanopores de la matrice de silice, en étant répartis de façon au moins substantiellement homogène.
Les étapes opératoires sont réalisées à température et pression douces, voisines de l'ambiante.
Dans l'étape d'hydrolyse de l'alkoxyde, l'hydrolyse de l'alkoxyde peut être totale si les proportions en eau, le pH et la température sont sélectionnés à cette fin. L'ensemble des groupements OR est alors remplacé par des groupements OH.
Pour réaliser cette étape, on mélange l'alkoxyde avec du méthanol et on agite ce mélange pendant le temps nécessaire, par exemple de l'ordre de cinq minutes. On commence l'hydrolyse par addition d'eau distillée.
Après un certain temps, par exemple de l'ordre de deux minutes, on ajoute au précurseur le complexe photochrome sélectionné, lui-même en solution.
On poursuit l'agitation le temps nécessaire, par exemple de l'ordre de dix minutes. Dans une réalisation, les proportions sont de 1 ml de tétraméthoxyorthosilane (TMOS) et 1 ,2 ml de méthanol et le double, soit 2,4 ml d'eau distillée.
On met en œuvre le complexe photochrome tel que sélectionné dans de l'eau ou dans une solution d'acétonitrile, par exemple dans le cas du [RuCI(NO)(py)4](PF6)2.½H20, ce complexe n'étant pas soluble dans l'eau.
Puis, après l'étape d'hydrolyse, on dispose le précurseur tel que sélectionné et le complexe photochrome tel que sélectionné, et en solution, dans un contenant de forme choisie, lequel conditionne la forme du xérogel qui sera réalisé, monolithe ou plaque.
Par exemple, on peut utiliser un contenant tel qu'un tube à hémolyse pour former un monolithe et un contenant tel qu'une boîte à fond plat pour former une plaque d'épaisseur souhaitée. L'étape de condensation (ou polymérisation ou gélification) conduit à la formation d'oxygène pontant avec l'élimination de molécule d'eau ou d'alcool. A la fin de cette étape, les atomes d'oxygène pontants permettent la formation d'un réseau de silice tridimensionnel qui est obtenu selon la réaction bilan suivante :
≡ Si-OH + Si-OH ¾≡ Si-O-Si≡ + H20
≡ Si-OR + Si-OH→≡ Si-O-Si≡ + ROH.
L'étape de condensation conduit à la réalisation d'un gel.
Par les étapes de maturation puis de vieillissement, le gel est stabilisé : la polymérisation commencée précédemment se poursuit, tandis que le solvant se trouvant à l'intérieur du gel est chassé.
Pour les étapes de maturation et de vieillissement, l'on sélectionne le pH, la température et la durée pour que dans le xérogel finalement réalisé, dont la forme est déterminée par le contenant, le complexe photochrome, à l'état cristallin et sous forme de nanoparticules, est inséré dans les nanopores de la matrice de silice, répartis de façon au moins substantiellement homogène.
Ainsi, dans une réalisation, le pH sélectionné est de l'ordre de 5 à 5,6.
Dans une réalisation avec acétonitrile, l'étape de maturation peut durer de l'ordre d'une semaine à une température de l'ordre de 55°C, en atmosphère fermée. Dans une réalisation avec solution aqueuse, l'étape de maturation peut durer de l'ordre de 72 heures à température ambiante.
Dans une réalisation, l'étape de vieillissement peut durer de l'ordre d'une semaine à une température de l'ordre de 55°C. La fin de l'étape de vieillissement permet un séchage par lequel l'on élimine le reste du solvant.
Le séchage par évaporation lente provoque une contraction du réseau de la matrice qui peut réduire le volume du gel (par exemple une perte de volume de 1/5) et conduire à la formation d'un xérogel, sous forme de monolithe ou de plaque. Au contraire, si le séchage intervient dans des conditions dures, au-delà du point critique du solvant, le gel humide se contracte très peu et on obtient non un xérogel comme souhaité, mais un aérogel.
Si les étapes de maturation et vieillissement sont trop rapides, il peut se produire des fissures ou fractures non souhaitées dans le matériau réalisé.
Lorsque l'on met en œuvre un mélange eau/méthanol (sans acétonitrile), plus la concentration en complexe photochrome est élevée, plus la couleur du gel est intense. Au contraire, lorsque l'on met en œuvre un mélange eau/méthanol/acétonitrile, lorsque la concentration en complexe photochrome dépasse 30 mmol.L , la matrice est saturée par le complexe et des cristaux et de la poudre se forment à l'intérieur et autour du xérogel.
Selon l'invention - et comme cela a été illustré précédemment -, pour les étapes de maturation et de vieillissement, l'on sélectionne le pH, la température et la durée pour que dans le xérogel réalisé, dont la forme est déterminée par le contenant, le complexe photochrome soit à l'état cristallin et sous forme de nanoparticules et inséré dans les nanopores de la matrice, eux-mêmes répartis de façon au moins substantiellement homogène.
Avec le procédé tel qu'il vient d'être décrit, l'on obtient des matériaux composites photochromes qui sont homogènes, transparents, facilement modelables, stables aux conditions normales de température et pression. Ainsi, il a été constaté que les xérogels ne montrent pas de détérioration après quatre mois et même jusqu'à sept mois. Ces matériaux présentent une excellente résistance au rayonnement laser, une résistance mécanique analogue à celle du verre, une bonne résistance aux solvants.
Comme déjà indiqué, on peut réaliser des matériaux composites photochromes en forme de monolithe de 1 à 2 cm de longueur ou en forme de plaque de 1 à 3 cm2 et d'épaisseur souhaitée.
La taille moyenne des nanopores de la matrice réalisée sans catalyse acide ou basique est comprise entre 2 et 15 nm. Leur répartition est homogène.
Les complexes photochromes se présentent sous forme de nanocristaux. Les particules comprises entre 2 et 4nm sont les plus nombreuses. Compte tenu des tailles et des distances intermoléculaires en jeu, il est avéré que les plus petits nanopores de la matrice contiennent une ou deux molécules de ruthénium avec ses contre-ions.
Les analyses réalisées sur les matériaux composites obtenus lors des essais ont montré que les particules sont bien diluées dans la matrice et que les objets de taille nanométrique se trouvant dans les nanopores sont bien constitués par le complexe photochrome.
On met en évidence le photochromisme des matériaux composites obtenus conformément à l'invention.
On place un échantillon de ce matériau dans un cryostat puis on l'irradie pendant 2 heures à une température de l'ordre de 100 K. On sort l'échantillon du cryostat le plus rapidement possible. On constate un changement de couleur de l'échantillon qui passe de la couleur orange - couleur à l'état fondamental - à la couleur verte - couleur à l'état irradié.
Lorsque l'échantillon est sorti du cryostat, la remontée en température est très rapide et la relaxation commence après seulement 1 minute. Après quelques minutes, l'échantillon est revenu à sa couleur orange. Ainsi, les matériaux composites photochromes réalisés ont pour caractéristique un changement réversible complet de leur couleur après irradiation. Une estimation de la population photoinduite - de l'ordre de 36% - montre qu'elle est proche de celle observée sur des monocristaux. Ces matériaux composites photochromes peuvent être mis en œuvre à des températures proches de la température ambiante. Quant aux états métastables, leur durée de vie est supérieure à 9 ans.
Ces matériaux composites photochromes sont donc parfaitement bien adaptés à la constitution de média à mémoire optique de haute qualité, notamment en ce qui concerne la capacité.
On décrit maintenant l'invention plus spécialement dans le cas de la seconde réalisation du procédé qui est envisagée, à savoir avec une matrice biodégradable.
Avec le procédé selon cette seconde réalisation, l'on utilise - et donc l'on sélectionne - une matrice biodégradable, en particulier d'un polysaccharide tel que l'amidon (glucane) ou l'agar-agar (galactane).
Si, comme indiqué, la pertinence du choix de la silice avait été mise en évidence dans le document WO 2010/081977, il s'avère que l'utilisation d'une matrice biodégradable, en particulier d'un polysaccharide tel que l'amidon ou l'agar-agar, exalte les propriétés photochromiques recherchées. Ainsi, le taux de conversion du complexe photochrome dans une matrice biodégradable, telle que l'amidon ou l'agar-agar, est augmenté par rapport à la matrice de silice. En outre, la matrice biodégradable procure d'indéniables avantages du point de vue des propriétés optiques, de coût et sous l'angle écologique.
Selon cette seconde réalisation, l'on sélectionne également comme complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle un complexe de formule [Ru(NO)X(py-R)4]Y2, [Ru(NO)X(py-RR')4]Y2, [Ru(NO)X(py-RR'R")4]Y2 ou [Ru(NO)X(py)4]Y2 où :
- py désigne la pyridine et Ru le ruthénium,
- X est choisi dans la famille comprenant Cl, Br, OH,
- Y est choisi dans la famille comprenant Cl, Br, BF4
- R, R', R" est choisi dans la famille comprenant l'hydrogène, les groupements alkyle, les groupements alcool, les groupements aldéhyde, les groupements cétone, les groupements ester, les groupements éther, les groupements aminé, les groupements amide et les groupements halogénés, Comme précédemment, les ligands équatoriaux sont du type vinylpyridine, pyridine carboxaldéhyde, picoline, phényl pyridine, cette liste étant exemplative et nullement limitative.
Pyridine
Pyridine monosubstituée py-R
Pyridine bi-substituée py-RR'
Pyridine tri-substituée py-RR'R"
Figure imgf000012_0001
Comme précédemment, les étapes opératoires peuvent être réalisées à température et pression douces, les avantages déjà mentionnés en relation avec la première réalisation s'appliquant également à la seconde.
Dans le cas d'une matrice biodégradable d'amidon, l'on peut procéder comme il est maintenant exposé. Dans 10 ml d'eau distillée, l'on ajoute progressivement entre 400 mg et 600 mg d'amidon de maïs. Puis, selon une variante d'exécution visant à rendre le film plus élastique, l'on ajoute 0.2 ml de glycérol. Cette variante d'exécution est optionnelle. Le mélange obtenu est chauffé à une température de l'ordre de 100°C dans un bêcher couvert jusqu'à obtenir une solution blanche homogène « limpide ».
L'on arrête alors le chauffage. Puis lorsque le mélange a refroidi pour atteindre une température d'environ 70-60°C, l'on ajoute dans l'éthanol ou l'eau, le complexe de ruthénium de formule [Ru(NO)X(py-R)4]Y2, [Ru(NO)X(py-RR')4]Y2, [Ru(NO)X(py-RR'R")4]Y2 ou [Ru(NO)X(py)4]Y2 où :
- py désigne la pyridine et Ru le ruthénium,
- X est choisi dans la famille comprenant Cl, Br, OH,
- Y est choisi dans la famille comprenant Cl, Br, BF4,
- R, R', R" est choisi dans la famille comprenant l'hydrogène, les groupements alkyle, les groupements alcool, les groupements aldéhyde, les groupements cétone, les groupements ester, les groupements éther, les groupements aminé, les groupements amide et les groupements halogénés, On dispose ensuite le mélange dans le contenant de forme choisie.
Le séchage se fait à température ambiante pendant une dizaine de jours.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé sol-gel de production d'un matériau composite photochrome, dans lequel, à partir d'un précurseur et d'un complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle, l'on réalise les étapes successives d'hydrolyse, de disposition dans un contenant, de condensation, de maturation et de vieillissement incluant un séchage final où l'on sélectionne le pH, la température et la durée pour que dans le xérogel réalisé, selon la forme du contenant, le complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle, à l'état cristallin et sous forme de nanoparticules, soit inséré dans les nanopores de la matrice, caractérisé par le fait que, en combinaison,
■ l'on sélectionne comme matrice, une matrice de silice, et
■ l'on sélectionne comme complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle un complexe de formule :
[Ru(NO)X(py-R)4]Y2, [Ru(NO)X(py-RR')4]Y2, ou [Ru(NO)X(py-RR'R")4]Y2 où :
- py désigne la pyridine et Ru le ruthénium,
- X est choisi dans la famille comprenant Cl, Br, OH,
- Y est choisi dans la famille comprenant Cl, Br, BF4, PF6,
- R, R', R" est choisi dans la famille comprenant l'hydrogène, les groupements alkyle, les groupements alcool, les groupements aldéhyde, les groupements cétone, les groupements ester, les groupements éther, les groupements aminé, les groupements amide et les groupements halogénés
à l'exclusion de la combinaison d'une matrice de silice et d'un complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle de formule [Ru(NO)X(py)4]Y2 ou [RuCI(NO)(py)4](PF 20.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que l'on sélectionne le précurseur dans le groupe comprenant le tétraméthoxyorthosilane - TMOS -, le vinyltriéthoxysilane - VTES -, le tétraéthoxyorthosilane - TEOS -, ou des alkoxydes M(OR)x, où M est un métal et R un groupement alkyle.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'on réalise une hydrolyse totale de l'alkoxyde, l'ensemble des groupements OR étant remplacé par des groupements OH.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que l'on mélange l'alkoxyde avec du méthanol et on agite le mélange.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'après le début de l'étape d'hydrolyse l'on ajoute au précurseur le complexe photochrome sélectionné, lui-même en solution, en particulier dans de l'eau ou, par impossible, dans de l'acétonitrile.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que pour les étapes de maturation et vieillissement, l'on sélectionne un pH acide (<7).
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'étape de maturation dure, en présence d'acétonitrile, de l'ordre d'une semaine à une température de l'ordre de 55°C en atmosphère fermée, ou en présence d'eau, de l'ordre de 72 heures à température ambiante.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'étape de vieillissement dure de l'ordre d'une semaine à une température de l'ordre de 55°C.
9. Procédé de production d'un matériau composite photochrome, dans lequel, à partir d'une matrice et d'un complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle, l'on réalise les étapes de dissolution de la matrice biodégradable, de dispersion du complexe photochrome, de disposition dans un contenant, de séchage où l'on sélectionne la température et la durée, pour que dans la matrice réalisée, selon la forme du contenant, le complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle, à l'état cristallin et sous forme de nanoparticules, soit inséré dans les nanopores de la matrice, dans lequel, en combinaison :
■ l'on sélectionne comme matrice, une matrice biodégradable, en particulier d'amidon ou d'agar- agar, et
■ l'on sélectionne comme complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle un complexe de formule [Ru(NO)X(py-R)4]Y2, [Ru(NO)X(py-RR')4]Y2, [Ru(NO)X(py-RR'R")4]Y2 ou [Ru(NO)X(py)4]Y2 où :
- py désigne la pyridine et Ru le ruthénium,
- X est choisi dans la famille comprenant Cl, Br, OH,
- Y est choisi dans la famille comprenant Cl, Br, BF4,
- R, R', R" est choisi dans la famille comprenant l'hydrogène, les groupements alkyle, les groupements alcool, les groupements aldéhyde, les groupements cétone, les groupements ester, les groupements éther, les groupements aminé, les groupements amide et les groupements halogénés.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que les étapes opératoires sont réalisées à température et pression douces, voisines de l'ambiante.
1 1. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que l'on met en œuvre un contenant en forme de tube ou de boîte à fond plat, selon que l'on veut réaliser un monolithe ou une plaque.
12. Matériau composite photochrome réalisé par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 , caractérisé en ce que le xérogel ou le composite biodégradable réalisé est de forme déterminée par celle du contenant et comprend le complexe photochrome de ruthénium à ligand nitrosyle sélectionné, à l'état cristallin et sous forme de nanoparticules, inséré dans les nanopores de la matrice de silice ou de la matrice biodégradable, en particulier d'amidon ou d'agar- agar, répartis de façon au moins substantiellement homogène.
13. Matériau composite photochrome selon la revendication 12, caractérisé par le fait qu'il se présente sous la forme d'un monolithe ou sous la forme de plaque d'épaisseur souhaitée.
14. Matériau composite photochrome selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisé par une taille moyenne des nanopores de la matrice comprise entre 2 et 15 nm.
15. Matériau composite photochrome selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé par des nanocristaux de complexe photochrome dont les particules les plus nombreuses sont comprises entre 2 et 4 nm.
16. Matériau composite photochrome selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé par des nanocristaux dans la matrice biodégradable dont la taille moyenne est de l'ordre de 50 nm.
17. Média à mémoire optique de haute qualité, notamment capacité, comprenant au moins un matériau composite photochrome selon l'une quelconque des revendications 12 à 16.
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